En médecine nucléaire, la radiothérapie interne sélective est une technique qui consiste à délivrer une dose élevée à la tumeur tout en préservant les tissus sains. L’activité du radiopharmaceutique administrée au patient est déterminée avant injection à partir d’une mesure réalisée à l’aide d’un activimètre. Cette pratique ne prend pas en compte l’activité et la distribution réelles du radionucléide dans l’organe traité, conduisant à de fortes variabilités au niveau de la dose individuelle absorbée. Une réponse à ce problème est le développement d’une dosimétrie personnalisée sur la base de l’imagerie quantitative tomographique TEP (tomographie par émission de positons) ou TEMP (tomographie par émission mono-photonique). Toutefois il n’existe pas de traçabilité métrologique pour l’activité estimée par ces méthodes.

L’étude a pour objectif de contribuer à l’établissement de cette traçabilité. Il s’agit de développer des étalons de dose absorbée et d’activité sous forme de volumes de résine dont les formes et les dimensions (de quelques cm³ à quelques dizaines de cm³) seront à préciser. Leur activité massique sera de l’ordre de quelques MBq/g. Le radionucléide utilisé dans le cadre de l’étude sera le ⁹⁰Y (période radioactive de 2,7 jours), si besoin en présence du radionucléide père, le ⁹⁰Sr (période radioactive de 29 ans), pour prolonger leur durée d’utilisation. L’incertitude-type visée ne doit pas dépasser 1,5 %. Elle devrait permettre de fournir aux physiciens médicaux un outil de validation précis pour les calculs de dose par imagerie quantitative, proche du niveau requis en radiothérapie externe.

Pour cela, il faudra développer et mettre en œuvre  des méthodes de mesure pour la caractérisation dosimétrique de volumes de solutions radioactives et de résines, indépendamment de la connaissance de leur activité massique. Les grandeurs dosimétriques envisagées sont la dose absorbée en « milieu infini », la dose moyenne absorbée dans le volume radioactif, la dose absorbée au centre du volume radioactif. Les méthodes utilisées feront appel à des mesures au sein de la solution radioactive par dosimétrie de Fricke et à des mesures effectuées à l’extérieur avec une chambre d’ionisation. L’obtention de ces grandeurs dosimétriques nécessitera d’effectuer des calculs Monte-Carlo. L’utilisation des codes pour ces applications sera validée via des mesures effectuées pour des solutions d’activité connue. La méthode de mesure externe sera mise en œuvre  pour la caractérisation dosimétrique de résines chargées en ⁹⁰Y. Les résultats seront comparés à ceux obtenus à partir de l’activité pour des solutions d’activité mesurée avant mélange dans la résine.

A terme, l’application de la méthodologie développée sera étendue à d’autres radionucléides utilisés en imagerie quantitative (¹⁷⁷Lu, ⁶⁸Ga, etc.).

• Réponse apportée au souhait émis par le Comité Consultatif Rayonnements Ionisants du CIPM (CCRI 2019) d’une implication plus forte de ses membres dans le développement de références pour le domaine de la médecine nucléaire, estimant que la marge de progrès possible est encore importante.
• Renforcement des liens du LNE-LNHB avec la communauté de la radiothérapie interne.
• Mise en œuvre  d’une nouvelle référence métrologique pour contribuer à l’établissement d’une traçabilité métrologique du calcul de la dose absorbée associée à l’activité administrée aux patients en radiothérapie interne sélective.
• Réponse aux besoins spécifiques résultant du développement du calcul de dose personnalisé pour le traitement par radio-embolisation des métastases hépatiques du cancer colorectal au moyen des microsphères de ⁹⁰Y SIR-Spheres, pour lequel le remboursement a été accepté en 2017 par le Ministère français des Affaires sociales et de la Santé.
• Application de la méthodologie développée à d’autres radionucléides utilisés en imagerie quantitative (¹⁷⁷Lu, ⁶⁸Ga, etc.), selon les résultats obtenus lors de ce projet.

En fonction de l’avancement du projet, un partenariat avec des services de médecine nucléaire pourrait être mis en place, notamment au travers du club utilisateurs mis en place en 2020 avec la SFPM.

La curiethérapie électronique est une technique de traitement du cancer utilisant des rayons X de faible énergie (≤ 50 keV) générés par des tubes à rayons X miniaturisés et placés au contact des tissus à irradier. La miniaturisation des générateurs à rayons X a conduit au développement de nouveaux systèmes de traitement. Au-delà du bénéfice médical, les avantages potentiels de la curiethérapie électronique sont une diminution drastique de l'inconfort du patient et un moindre coût de traitement.

Le développement de cette nouvelle technique de traitement et son utilisation sûre en clinique nécessitent une caractérisation dosimétrique précise des systèmes de curiethérapie électronique, en accord avec les exigences spécifiques au domaine médical. Les travaux déjà menés par certains laboratoires de métrologie européens, dont le LNE-LNHB, ont montré que la dose prescrite, calculée par les algorithmes fournis par les fabricants, peut être très différente de la dose réellement délivrée par l’appareil.

Il est donc nécessaire de mettre en place des références métrologiques adaptées ainsi que des méthodes dosimétriques et protocoles harmonisés permettant l’étalonnage adéquat des faisceaux des utilisateurs de systèmes de curiethérapie électronique. Des mesures précises des distributions en 3D des doses délivrées par ces appareils permettront aux fabricants d’ajuster leurs algorithmes de calcul et d’assurer une bonne cohérence de la dose prescrite avec la dose délivrée.

Ces travaux seront menés dans le cadre du projet européen 18NRM02 PRISM-eBT, financé par la Commission,  qui regroupe plusieurs laboratoires de métrologie. Les résultats vont permettre une approche cohérente à l’échelle de l’Europe pour la traçabilité métrologique des traitements et renforceront le positionnement de la métrologie européenne à échelle mondiale.

Les nouveaux services d’étalonnage qui seront mis en place à la suite de ce projet seront d’une importance majeure pour la communauté des physiciens médicaux, qui disposeront de méthodes robustes et rigoureusement traçables aux références métrologiques pour la dosimétrie des systèmes de curiethérapie électronique.

Pour la communauté des industriels, les méthodes nouvelles et plus précises pour la mesure des distributions de dose en 3D permettront aux fabricants des systèmes de curiethérapie électronique d’améliorer leurs propres algorithmes de calcul et ainsi de garantir une meilleure exactitude de la dose délivrée lors des traitements. Cette meilleure maîtrise aura comme résultat une confiance accrue de la part des physiciens médicaux, des oncologues et des autorités de santé conduisant à une utilisation plus importante de cette technique de traitement.

Les résultats de ce projet permettront aux autres laboratoires de métrologie européens de disposer, à moindre coût, des qualités de faisceaux équivalentes aux systèmes de curiethérapie électronique et de mettre en place les nouveaux services d’étalonnage associés. La dissémination des références de curiethérapie électronique à l’échelle de l’Europe facilitera les comparaisons inter-laboratoires et contribuera à accroître la compétitivité de la métrologie européenne au niveau mondial.

Les procédures mises en place pour le transfert des références aux utilisateurs seront notamment décrites dans un guide de bonnes pratiques et disséminées à travers des groupes de travail actifs dans le domaine, ainsi qu’au niveau de l’AIEA (Agence internationale de l’énergie atomique).

Site internet du projet : http://www.ebt-empir.eu/

Les travaux décrits dans ce projet seront réalisés dans le cadre du projet européen de métrologie PRISM-eBT, en partenariat avec cinq autres laboratoires de métrologie (PTB, CMI, ENEA, NPL, VSL), un partenaire académique (Aarhus Universitet, Autriche) et deux partenaires cliniques (Maastro Clinic, Pays-Bas, Hôpital St. Louis Paris).

Dans le cadre de ses missions en tant que laboratoire national de métrologie des rayonnements ionisants, le LNE-LHNB assure la métrologie des neutrons en termes de débit d’émission sous 4π sr, dont l’unité est la s^-1. Le laboratoire dispose d’une installation dédiée à l’étalonnage de sources neutrons, basée sur la méthode dite du « bain de manganèse » : la source est immergée dans une solution de sulfate de manganèse, les neutrons créent ⁵⁶Mn par réaction (n, γ) sur ⁵⁵Mn et le débit d’émission de la source est déduit de l’activité en ⁵⁶Mn de la solution, via une modélisation ad-hoc du système. Cette méthode est utilisée depuis les années 1960 dans les laboratoires nationaux de métrologie comme méthode de référence de la mesure de débit d’émission neutronique. Cette grandeur est aujourd’hui inscrite dans la portée d’accréditation COFRAC du laboratoire afin de répondre de manière adéquate aux besoins d’étalonnage en France. La délivrance d’un certificat d’étalonnage COFRAC garantit la traçabilité des résultats au système international d’unités (SI) grâce aux inter-comparaisons organisées par le BIPM. La gamme de mesure avec la technique du bain de manganèse est de quelques 10⁵  s^-1 à 10⁹ s^-1, avec une incertitude-type relative de 0,5 % à 2 %. Le débit d’émission minimal mesurable est particulièrement limité par l’activité de ⁵⁶Mn créée dans la solution. En dessous de 10⁵ s^-1, cette activité devient relativement faible, inférieure au Bq, et difficile à mesurer avec une précision satisfaisante.

L’étude proposée vise à développer un nouveau dispositif pouvant mesurer des sources de plus faible émissivité, jusqu’à 10³ s^-1. Ce dispositif sera complémentaire de la technique du bain de manganèse et permettra d’élargir les capacités du laboratoire pour la caractérisation de sources neutrons. Il sera constitué d’un récipient de type Marinelli de gros volume pouvant accueillir la source et plusieurs types de détecteurs de neutrons en même temps : compteur proportionnel de type ³He par exemple, détecteur à scintillation, détecteur par activation neutronique. Le récipient sera rempli d’eau pour thermaliser les neutrons. La combinaison des techniques de mesure permettra d’optimiser la mesure du débit d’émission et de réduire les incertitudes.

Les mesures avec les différentes voies seront exploitées pour étudier la faisabilité d’une spectrométrie de la fluence neutronique de la source. En effet, la connaissance du spectre d’émission neutronique constitue aussi une étape importante de leur caractérisation pour un certain nombre d’applications. Cette partie fera d’objet de développements spécifiques pour mettre au point un algorithme de reconstruction de spectres. Ce travail est motivé par des études récentes réalisées au CEA/LIST/DM2I pour la caractérisation de sources de type PuBe, fabriquées par le CEA ATALANTE pour les besoins de la propulsion navale. Les résultats avaient en effet mis en évidence des écarts significatifs entre les spectres en énergie mesurés et ceux calculés à l’aide de différents codes de référence, par exemple SOURCES 4C. D’autre part, la connaissance du spectre en énergie des neutrons est aussi nécessaire pour estimer le débit d´équivalent de dose afin de mieux estimer la réponse d’instruments de radioprotection.

• Réalisation de prestations d’étalonnage de sources neutrons en termes de débit d’émission neutronique et de mesure de spectre en énergie.
• Extension de la gamme de mesure du laboratoire.
• Amélioration des incertitudes de mesures.
• Développement d’un outil de caractérisation des spectres en énergie de sources neutrons. De nombreux domaines d’application bénéficieront de ce type de développement : optimisation des champs neutroniques utilisés dans le démarrage de réacteurs embarqués, dosimétrie neutronique, caractérisation de détecteurs secondaires, etc.

CEA/LIST/DM2I/LCAE, Laboratoire Capteurs Architectures Electroniques

• Collaboration sur la partie conception et réalisation du dispositif de mesure
• Collaboration sur la partie spectrométrie neutron

CEA/DEN/DPN/STXN

• Collaboration sur la partie spectrométrie neutron pour les sources de types PuBe

IRSN/LMDN, Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons

• Collaboration sur la partie spectrométrie neutron

La participation du LNE-LNHB au projet ANR Nantista (2014-2019) a conduit à une sensibilisation du laboratoire aux besoins métrologiques en termes d’algorithmes rapides et robustes pour l’identification automatique de radionucléides émetteurs gamma. La demande d’algorithmes spécifiques recouvre divers domaines tels que la surveillance en temps réel des mouvements illicites de matières nucléaires dans l’espace public, pour le contrôle aux frontières et des sites nucléaires, les mesures environnementales in situ suite à un accident nucléaire ou radiologique avec rejet ou encore pour le contrôle des déchets hospitaliers. Un des objectifs importants de ces algorithmes est de réduire l’intervention d’un expert dans la prise de décision.

La nécessité d’effectuer une prise de décision robuste à faible statistique est une contrainte importante dans le développement d’algorithmes d’identification spécifiques aux portiques de détection pour la surveillance du trafic illicite de matières radioactives. Il s’agit d’une prise de décision rapide à faible statistique (de 1 000 à 5 000 événements en moyenne) sur la base de l’acquisition d’un spectre de quelques secondes au maximum. La prise de décision doit être couplée à une gestion robuste des fausses alarmes (taux de faux positifs égal à 0,1 %) notamment dans le cas des mélanges. De plus, ce type d’algorithmes doit pouvoir être implémenté en temps réel sur des cartes numériques embarquées. Afin de minimiser les coûts pour un déploiement à grande échelle, les portiques implantés pour le contrôle aux frontières sont équipés de détecteurs scintillateurs (NaI(Tl), plastiques) présentant l’inconvénient d’avoir une faible résolution en énergie.

L’identification automatique de radionucléides émetteurs gamma peut être définie comme un problème de détection d’anomalies dans le mouvement propre à partir d’un seuil de décision fonction du taux de fausses alarmes attendu. Pour répondre à cette problématique, un algorithme spécifique a été développé selon une approche métrologique au LNE-LNHB appliquée à la prise de décision à faible statistique. Avec une méthodologie basée sur le démélange spectral, il permet d’estimer les comptages pour chaque radionucléide recherché et une incertitude associée. Une première validation de cette nouvelle approche d’analyse spectroscopique a été réalisée dans le cas de l’utilisation d’un détecteur NaI(Tl) de 3"×3". L’objectif de la nouvelle étude est d’étendre l’utilisation du code d’identification à la détection de sources neutroniques grâce aux nouveaux détecteurs scintillateurs dopés avec du lithium-6 (p.e. NaIL développé par Saint Gobain) permettant la détection des neutrons thermiques par la réaction 6Li(n, α)3H. Il sera donc possible de proposer une discrimination plus élargie des types d’alarmes potentielles (radioactivité naturelle, radioactivité artificielle médicale ou industrielle) pour limiter les interventions d’un expert.

• Répondre à la demande sociétale de systèmes d’identification automatique pour la surveillance en temps réel des mouvements illicites de matières nucléaires dans l’espace public, pour le contrôle aux frontières et des sites nucléaires.
• Etudier et caractériser un nouvel outil d’analyse spectroscopique pour l’identification automatique fondée sur une détection mixte neutron/gamma basée sur l’utilisation d’un détecteur scintillateur NaIL.

• CEA/IRFU pour l’optimisation du code d’identification
• IRSN pour les mesures dans l’environnement
• CEA/LCAE pour la surveillance aux frontières

Le LNHB maintient et diffuse aux utilisateurs des données recommandées caractérisant les schémas de désintégration des radionucléides.

Parmi ces données, les intensités d’émission photoniques sont des données cruciales, largement utilisées pour l’étalonnage des spectromètres gamma et X, avec pour but, la quantification de l’activité des radionucléides mesurés par cette technique. Dans la gamme d’énergie inférieure à 50 keV, les photons émis sont principalement des rayonnements X, consécutifs à la relaxation atomique suivant les processus de conversion interne ou de capture électronique. Que ce soit pour la caractérisation des matériaux à l’échelle nanométrique ou pour les applications médicales (imagerie, diagnostic ou thérapie), la connaissance précise des intensités d’émission X et des rendements de fluorescence est cruciale.

Il est bien connu que la procédure habituelle pour étalonner en rendement un détecteur consiste à analyser les pics d’absorption totale de plusieurs radionucléides, dont on connaît les intensités d’émission, présents dans des sources étalonnées en activité. Cependant, dans le cas où l’on souhaite améliorer la connaissance des intensités d’émission, la procédure de mesure s’appuie en définitive sur les mêmes paramètres que ceux que l’on vise à déterminer. Pour éviter cette dépendance circulaire et réaliser des mesures indépendantes des intensités d’émission tabulées, il est nécessaire d’étalonner le détecteur par un moyen indépendant, qui ne requiert la connaissance préalable d’aucune intensité d’émission.

Le présent projet a permis d’établir la courbe d’étalonnage en rendement d’absorption totale spectromètre dispersif en énergie, basé sur un détecteur au germanium hyperpur (GeHP), dans la gamme d’énergie inférieure à 50 keV, sans faire appel à des radionucléides. Cet étalonnage s’appuie sur l’utilisation d’un radiomètre cryogénique à substitution électrique et sur l’utilisation d’un faisceau de photons monochromatiques produits par un synchrotron.

Contrairement aux étalonnages traditionnels faisant référence à des radionucléides étalons, cette approche peut être considérée comme absolue, puisqu’elle s’affranchit de la connaissance des données de schémas de désintégration.

La mise en place de spectromètres étalonnés sans radionucléide permettra une avancée importante pour la détermination d’intensités d’émission X dans la gamme d’énergie inférieure à 50 keV et la réduction des incertitudes associées. Par ailleurs, le LNHB développe des méthodes d’analyse X sans référence pour la caractérisation des matériaux innovants pour lesquels il n’existe pas d’étalons (voir le projet Développement des méthodes d'analyse X utilisant le rayonnement synchrotron). Pour ces techniques avancées, il est nécessaire de disposer de détecteurs (photodiodes et spectromètres) étalonnés en absolu et les résultats de ce projet permettront d’améliorer les résultats et la fiabilité de ces nouvelles méthodes.

LCM-Cnam pour son expérience avec les radiomètres cryogéniques.

Synchrotron SOLEIL.

V. Hernandez Elvira, M.-C. Lépy, Y. Ménesguen, “Primary calibration of photodiodes with monochromatic X-ray beams using an electrical-substitution radiometer”, X-Ray Spectrometry, 52, 279-289 (2023). DOI : 10.1002/XRS.3318.

HERNANDEZ-ELVIRA V., “Calibration of photodiodes with a monochromatic X-ray beam measured with an electrical-substitution radiometer”, EXRS 2022, 27 juin au 1er juillet, Bruges, Belgique. 

V.H. Elvira, Y. Ménesguen, M.-C. Lépy, "Radionuclide-free efficiency calibration of an HP-Ge detector using monochromatic photon beams measured with a cryogenic radiometer", presented at 23rd International Conference on Radionuclide Metrology and its Applications, ICRM 2023, Bucharest, Romania, 27 au 31 mars 2023.